CN115789982A - 一种制冷机房nh3/co2制冷控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统及方法；所述系统包括高温级制冷系统和低温级制冷系统，所述高温级制冷系统依次包括NH3制冷压缩机、NH3蒸发式冷凝器、NH3贮液器、冷凝蒸发器和NH3气液分离器；低温级制冷系统依次包括CO2制冷压缩机、冷凝蒸发器、CO2贮液器、CO2气液分离器和CO2冷库冷风机；所述高温级制冷系统和低温级制冷系统通过共用的冷凝蒸发器相连接。本发明能够保证系统在安全稳定运行的前提下，有效实现节能降耗。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统及方法。
背景技术
理论上，最简单的压缩式制冷循环系统由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大部件组成。从蒸发器出来的低压低温制冷剂蒸汽被压缩机吸入、压缩成高压高温的过热蒸汽，然后进入冷凝器被水、空气等介质冷却冷凝成高压常温的液体，高压常温的液体经过膨胀阀节流降压，变成低压低温的液体，这种低压低温的液体进入蒸发器吸热蒸发成低压低温的蒸汽重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。
冷冻冷藏制冷技术已经广泛应用于食品的冻结、冷藏和冻结运输以及食品加工厂的空气调节，尤其是在商店、超市等大型场所，已经普遍推广应用智能化的冷冻冷藏制冷技术。柜体温度可以通过人机界面控制，实时监测制冷系统工作温度、压力，中文显示故障报警内容。通过集成化设计，将变频系统集成到一套控制方案中，通过预定参数调整，可以使客户端不需要配备资深技术人员，即可实现终端客户对产品的需求。但是，现有的制冷及控制系统依然有很多不足之处：制冷剂的选择不当，对大气环境造成很大污染和破坏，加剧臭氧层破坏、温室效应等大气环境问题，且利用不当的制冷剂对人员和食品也会造成污染和伤害，同时现有的控制系统由于变负荷问题导致能耗较大，因此亟需一种更环保、节能、智能的制冷控制系统。
发明内容
为了解决制冷及其控制系统的环保、节能问题，本发明提供一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统及方法。
第一方面，本发明提供的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，采用如下的技术方案：
一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，包括：
高温级制冷系统和低温级制冷系统，所述高温级制冷系统依次包括NH3制冷压缩机、NH3蒸发式冷凝器、NH3贮液器、冷凝蒸发器和NH3气液分离器；低温级制冷系统依次包括CO2制冷压缩机、冷凝蒸发器、CO2贮液器、CO2气液分离器和CO2冷库冷风机；所述高温级制冷系统和低温级制冷系统通过共用的冷凝蒸发器相连接。
通过上述技术方案，高温级系统中制冷剂NH3的蒸发来使低温级排出的制冷剂气体CO2冷凝，用一个冷凝蒸发器将高、低温级两部分联系起来，它既是低温级的冷凝器，又是高温级的蒸发器。
优选的，所述NH3蒸发式冷凝器通过压力传感器检测制冷量的大小，采用阶梯式压力区间控制相应设备启闭。
通过蒸发式冷凝器的压力传感器检测制冷量的多少，按需进行控制相应设备启闭，实现蒸发式冷凝器的节能降耗。
优选的，所述CO2冷库冷风机通过CO2液体泵连接CO2气液分离器，所述CO2冷库冷风机通过CO2制冷剂吸收冷库内的热负荷。
优选的，所述CO2气液分离器将分离的气态CO2制冷剂送至CO2制冷压缩机，经压缩后送至冷凝蒸发器。
优选的，所述冷凝蒸发器将CO2制冷剂和NH3制冷剂进行热负荷交换，后将冷凝的CO2制冷剂送至CO2贮液器，后进入CO2气液分离器进行气液分离。
优选的，所述冷凝蒸发器连接NH3气液分离器，所述NH3气液分离器将NH3制冷剂进行气液分离后，将气态的NH3制冷剂送至NH3制冷压缩机压缩。
优选的，所述NH3制冷压缩机将NH3制冷剂送至NH3蒸发式冷凝器，所述NH3蒸发式冷凝器向环境释放热负荷。
优选的，所述NH3贮液器和冷凝蒸发器之间通过NH3节流装置相连接，所述NH3节流装置采用电磁阀，用于控制NH3制冷剂流速。
优选的，所述CO2贮液器和CO2气液分离器之间设置有CO2节流装置，所述CO2节流装置采用电磁阀，用于控制CO2制冷剂流速。
第二方面，本发明提供的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制方法，采用如下的技术方案：
一种制冷机房NH3/CO2制冷控制方法，包括：
通过CO2冷库冷风机将吸收冷库热负荷的CO2制冷剂送至CO2制冷压缩机，压缩后的CO2制冷剂经过冷凝蒸发器与NH3制冷剂换热；
换热后的NH3制冷剂经过NH3制冷压缩机压缩后送至NH3蒸发式冷凝器；
通过NH3蒸发式冷凝器将热负荷向环境释放。
综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：
1.本发明所公开的NH3/CO2制冷系统，NH3制冷工质作为制冷控制系统的高温部分只限使用在机房内，且充注量较少，与低温环境相隔离，避免与食品直接接触。CO2制冷工质广泛应用于库房、工作和生产区域等人员密集的场合，对人员无伤害，对食品无污染。NH3/CO2复合式制冷系统，让NH3和CO2这两种自然工质在其最佳的温度压力区间工作，充分发挥了其优良的传热特性，不仅可以提高系统的运行效率，而且能更好地提高系统的安全系数。
2.本发明能够利用蒸发式冷凝器中的压力传感器实时检测制冷量的多少，并采用阶梯式压力区间控制，按需控制相应设备的启闭，实现蒸发式冷凝器的节能降耗。
附图说明
图1是本发明实施例的NH3/CO2制冷控制系统的结构示意图。
图2是本发明实施例的NH3/CO2制冷控制系统的蒸发式冷凝器结构示意图。
图3是本发明实施例的NH3/CO2制冷控制系统的另一结构示意图。
其中，1、CO2制冷压缩机；2、NH3制冷压缩机；3、NH3蒸发式冷凝器；4、CO2冷库冷风机；5、NH3节流装置；6、CO2节流装置；7、CO2贮液器；8、干燥过滤器；9、CO2液体泵；10、风机；11、收水器；12、喷淋水系统；13、水泵；14、倾斜式水箱；15、NH3单机双级压缩机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参照图1，本实施例的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，采用NH3/CO2复叠式制冷系统结构，由高温级制冷系统和低温级制冷系统组成，高温级使用NH3作为制冷剂，低温级使用CO2作为制冷剂。高温级制冷系统由NH3制冷压缩机2、NH3蒸发式冷凝器3、NH3贮液器、冷凝蒸发器、NH3气液分离器组成；低温级制冷系统由CO2制冷压缩机1、冷凝蒸发器、CO2贮液器、CO2气液分离器、CO2液体泵9、CO2冷库冷风机4组成。其中，高温级系统中NH3制冷剂的蒸发用来使低温级排出的气体CO2制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将高、低温级两部分联系起来。
NH3制冷工质具有优良的热力学性质，其ODP（臭氧层消耗潜能）和GWP（全球变暖潜能）都为零，不会破坏臭氧层及影响气候变暖；但NH3具有一定的毒性和可燃性，安全性低，同时，随着蒸发温度、蒸发压力的降低，NH3的制冷性能也会大大降低。
CO2在常温常压下为无色、无味、无毒、不助燃、不可燃的气体，是一种天然的制冷剂。CO2的ODP为零，GWP为1，具有良好的环保特性。CO2是碳的最高氧化状态，具有非常稳定的化学性质，即使在高温下也不会分解出有害气体，具有良好的热稳定性和化学稳定性。动力黏度低，单位容积制冷量高，即使在较低的蒸发温度下，仍能维持较高的饱和压力，具有优良的传热特性。不过，CO2在常温下需要较高的压力（40MPA）才能冷凝成液体。
本实施例的NH3制冷压缩机2和CO2制冷压缩机1分别连接有电磁阀，NH3制冷压缩机2和CO2制冷压缩机1通过采用可编程控制器PLC作为核心控制元件，可编程控制器PLC通过控制电磁阀分别控制NH3制冷压缩机2和CO2制冷压缩机1启闭，使控制性能更加可靠。
本实施例的NH3制冷压缩机2采用现有的单级螺杆制冷压缩机、单机双级螺杆制冷压缩机和双机双级螺杆撬块机组，压缩机型谱全，应用范围广，可在高温、中温、低温全工况下运行，其中，LG2016MS、LG2520MS等系列压缩机高低压级均具有能量调节装置，可保证机组在各工况下都能高效、经济的运行。制冷压缩机具有机组能量调节、机组保护及远距离监视功能。本实施例的压缩机为全卸载启动，启动时负荷只有全负荷的15%，压缩机的加载速度由PLC内部加载函数控制。PLC根据吸气压力控制加卸载电磁阀，通过调整滑阀位置进行能量调节。为避免吸气压力过低及排气压力过高而使压缩机报警停机，当运行压力接近报警设定值时，PLC会根据需要自动卸载，以便机组继续运行。
本发明针对机组保护：包括油泵电机过载保护、主电机过载保护、排气压力过高保护、油压过低保护、吸气压差过大保护、油温超高保护、吸气压力过低保护和外部连锁保护。关于远距离监视：机组PLC可预留RS485或以太网通讯接口，可与上位机、IEMC进行通讯，实现远距离监视和控制、实现多台机组群控的功能。
工作原理：
冷库内的热负荷通过CO2冷库冷风机4（末端蒸发器）传递给CO2制冷剂，CO2制冷剂吸收的热量通过冷凝蒸发器传给高温级的NH3制冷剂，高温级的NH3制冷剂通过NH3蒸发式冷凝器3，由冷却介质再将热量向环境释放。在冷凝蒸发器中冷凝后的CO2，进入CO2贮液器，然后经干燥过滤器和节流阀进入CO2气液分离器，液态的CO2通过CO2液体泵9送到CO2冷库冷风机4；经过冷风机蒸发后的两相CO2返回气液分离器，气态的CO2被CO2制冷压缩机1吸入，经过压缩后进入冷凝蒸发器冷凝。如此循环反复，完成整个复合制冷循环。
作为进一步地实施方式，
如图2所示的蒸发式冷凝器，是利用喷淋到换热盘管外表面的水膜蒸发吸收管内流体热量，使管内流体得以冷凝的一种高效节能的换热设备，由风机10、收水器11、喷淋水系统12、水泵13和倾斜式水箱14组成，其中，循环水从下部倾斜式集水箱被大流量低扬程水泵打到上部淋水管组，经大流量喷嘴，均匀散布到盘管组外表面，同时与管内介质和外部空气发生热量传递，少量水分蒸发到空气中，大部分水回落到倾斜式水箱14，再次进行循环。蒸发式冷凝器箱体顶上，安装有轴流风机10，强力通风，干冷空气从下部百叶进风口进入，与上部流下来的循环水进行热质交换，吸收热量和水分，变成热湿空气后，从顶部出风口排出。
蒸发式冷凝器具有高效、节能及安装方便等特点，近年来在新建冷库的制冷系统中，85%以上的厂家采用的是蒸发式冷凝器。由于蒸发式冷凝器的广泛应用，对其运行的节能研究很有必要。蒸发式冷凝器的能耗是冷库制冷系统能耗的重要组成部分，蒸发式冷凝器的能耗主要是轴流风机及水泵的能耗。冷库制冷系统大部分时间是在部分负荷下运行的，而风机和水泵却一直运转，这就造成了能源浪费。本实施例中制冷系统在部分负荷下运行时，蒸发式冷凝器的风机和水泵根据制冷量的大小（可通过高压部分的压力传感器检测得出），采用阶梯式压力区间控制，按需进行相应地启闭，实现蒸发式冷凝器的节能降耗。
具体为：压力传感器设置于蒸发式冷凝器的进气管上，用以检测冷凝压力，PLC根据压力传感器检测到的冷凝压力控制风机和蒸发冷水泵启闭。即当压力传感器检测到的冷凝压力达到设定值P0时开启第一台蒸发式冷凝器的水泵，当冷凝压力升高达到设定值P1时开启第一台蒸发式冷凝器的风机；若冷凝压力继续升高，达到设定值P2时，开启第二台蒸发式冷凝器的水泵，当冷凝压力持续升高到设定值P3时，开启第二台蒸发式冷凝器的风机，以此类推，停止时反之。如此可以在满足制冷系统变负荷的前提下达到节能降耗的目的。
蒸发式冷凝器的水泵及风机均有手动/自动两种运行模式，用以保证系统可靠性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例的低温侧没有CO2压缩机，其中CO2作为载冷剂，通过重力循环完成冷凝与换热的过程。高温侧设置NH3单机双级压缩机。NH3/CO2复叠式制冷系统在制取冷量时的耗功有一个节能的临界制冷温度（一般为-35℃～-20℃），当NH3/ CO2复叠式制冷系统在制冷温度高于该临界制冷温度时，其节能效果并不显著。这主要是因为在NH3/ CO2复叠式制冷系统中增加了CO2压缩机，从而增加了耗功，降低了系统的COP(制冷系统所能实现的制冷量与输入功率的比值)。为克服这一不足，提供一种在制冷温度高于临界制冷温度时，不设CO2压缩机，通过CO2的载冷循环来降低能耗的NH3/CO2复合式制冷系统。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例提供一种制冷机房NH3/CO2制冷控制方法，包括：
通过CO2冷库冷风机4将吸收冷库热负荷的CO2制冷剂送至CO2制冷压缩机1，压缩后的CO2制冷剂经过冷凝蒸发器与NH3制冷剂换热；换热后的NH3制冷剂经过NH3制冷压缩机2压缩后送至NH3蒸发式冷凝器3；通过NH3蒸发式冷凝器3将热负荷向环境释放。
冷库内的热负荷通过CO2冷库冷风机4（末端蒸发器）传递给CO2制冷剂，CO2制冷剂吸收的热量通过冷凝蒸发器传给高温级的NH3制冷剂，高温级的NH3制冷剂通过NH3蒸发式冷凝器3，由冷却介质再将热量向环境释放。在冷凝蒸发器中冷凝后的CO2，进入CO2贮液器，然后经干燥过滤器和节流阀进入CO2气液分离器，液态的CO2通过CO2液体泵9送到CO2冷库冷风机4；经过冷风机蒸发后的两相CO2返回气液分离器，气态的CO2被CO2制冷压缩机1吸入，经过压缩后进入冷凝蒸发器冷凝。如此循环反复，完成整个复合制冷循环。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，包括：高温级制冷系统和低温级制冷系统，所述高温级制冷系统依次包括NH3制冷压缩机、NH3蒸发式冷凝器、NH3贮液器、冷凝蒸发器和NH3气液分离器；低温级制冷系统依次包括CO2制冷压缩机、冷凝蒸发器、CO2贮液器、CO2气液分离器和CO2冷库冷风机；所述高温级制冷系统和低温级制冷系统通过共用的冷凝蒸发器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述NH3蒸发式冷凝器通过压力传感器检测制冷量的大小，采用阶梯式压力区间控制相应设备启闭。
3.根据权利要求2所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述CO2冷库冷风机通过CO2液体泵连接CO2气液分离器，所述CO2冷库冷风机通过CO2制冷剂吸收冷库内的热负荷。
4.根据权利要求3所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述CO2气液分离器连接CO2制冷压缩机，用于将分离的气态CO2制冷剂送至CO2制冷压缩机，经压缩后送至冷凝蒸发器。
5.根据权利要求4所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述冷凝蒸发器将CO2制冷剂和NH3制冷剂进行热负荷交换，后将冷凝的CO2制冷剂送至CO2贮液器，后进入CO2气液分离器进行气液分离。
6.根据权利要求5所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述冷凝蒸发器连接NH3气液分离器，所述NH3气液分离器将NH3制冷剂进行气液分离后，将气态的NH3制冷剂送至NH3制冷压缩机压缩。
7.根据权利要求6所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述NH3制冷压缩机将NH3制冷剂送至NH3蒸发式冷凝器，所述NH3蒸发式冷凝器向环境释放热负荷。
8.根据权利要求7所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述NH3贮液器和冷凝蒸发器之间通过NH3节流装置相连接，所述NH3节流装置采用电磁阀，用于控制NH3制冷剂流速。
9.根据权利要求6所述的一种制冷机房NH3/CO2制冷控制系统，其特征在于，所述CO2贮液器和CO2气液分离器之间设置有CO2节流装置，所述CO2节流装置采用电磁阀，用于控制CO2制冷剂流速。
10.一种制冷机房NH3/CO2制冷控制方法，基于如权利要求1-9任意一项所述的系统，其特征在于，包括：通过CO2冷库冷风机将吸收冷库热负荷的CO2制冷剂送至CO2制冷压缩机，压缩后的CO2制冷剂经过冷凝蒸发器与NH3制冷剂换热；
换热后的NH3制冷剂经过NH3制冷压缩机压缩后送至NH3蒸发式冷凝器；
通过NH3蒸发式冷凝器将热负荷向环境释放。
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2023
- 2023-01-06 CN CN202310015089.8A patent/CN115789982A/zh active Pending
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